專利名稱：基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器。
背景技術(shù)：
紅外輻射蘊(yùn)含了十分豐富的客觀信息，利用紅外探測(cè)器可以對(duì)這些信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化和讀取。紅外輻射的探測(cè)一直以來就是人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。紅外輻射探測(cè)器的應(yīng)用也已從最初的軍事應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到現(xiàn)在的夜視成像、工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控、工業(yè)設(shè)備故障查找、防火防災(zāi)、醫(yī)學(xué)上的乳腺癌、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病的早期檢查等各種領(lǐng)域。與制冷型紅外探測(cè)器相比較，室溫紅外探測(cè)器具有成本低廉、體積小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種采用不同探測(cè)原理、不同熱敏感元件的室溫紅外探測(cè)器熱釋電型室溫紅外探測(cè)器利用了鐵電材料薄膜的表面電荷隨溫度會(huì)發(fā)生變化，由于工藝制備困難，且與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝不兼容，并且需要斬波器對(duì)入射紅外輻射進(jìn)行調(diào)制，不利于系統(tǒng)的集成；熱敏電阻型室溫紅外探測(cè)器是研究較早，工藝較為成熟的一種室溫紅外探測(cè)器，它利用了熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而發(fā)生變化來對(duì)紅外輻射進(jìn)行探測(cè)，常用材料有鈦(Ti)、鉑(Pt)、多晶硅(poly-Si)、多晶硅鍺(poly-SiGe)、碳化硅(SiCx)、氧化釩(VOx)和非晶硅(a-Si)。VOx不是IC工藝中的常規(guī)材料；Poly-Si、Poly-SiGe、SiCx的制備溫度或退火溫度都高于IC電路中鋁Al布線的合金溫度(400℃)；Ti和Pt的電阻溫度系數(shù)(TCR)過?。灰虼?，采用這些材料制作室溫紅外探測(cè)器的熱敏感元件，很難實(shí)現(xiàn)單片集成，而同時(shí)獲得高的探測(cè)性能。室溫紅外探測(cè)器使用光刻技術(shù)能精確控制圖形和尺寸，工藝上有很好的重復(fù)性，易于批量生產(chǎn)，能方便地實(shí)現(xiàn)小型化、低成本和高性能的紅外探測(cè)系統(tǒng)。
室溫紅外探測(cè)器需要將捕獲的紅外輻射轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而利用敏感單元的熱效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，從而對(duì)紅外輻射進(jìn)行探測(cè)。其研究目標(biāo)就是利用簡單的制作工藝制備能夠?qū)崿F(xiàn)能量獲取最大化和能量轉(zhuǎn)化最大化的探測(cè)器，能量轉(zhuǎn)化的最大化主要取決于敏感元件材料和結(jié)構(gòu)的選取；能量獲取最大化即能量吸收最大化和能量損失的最小化，取決于紅外吸收和絕熱材料的選取和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前常用的絕熱結(jié)構(gòu)多采用空腔結(jié)構(gòu)，盡管該結(jié)構(gòu)絕熱效果較好，但工藝制備復(fù)雜，工藝重復(fù)性和均勻性差，且成品率很低，特別是在焦平面陣列(FPA)的制備中，嚴(yán)重制約了探測(cè)器的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種工藝制備簡單，靈敏度高的基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器。所述室溫紅外探測(cè)器是在襯底上涂覆聚合物絕熱層，熱敏感元器件復(fù)合在聚合物絕熱層上面，其特征在于所述熱敏感元器件是在襯底1上涂覆聚合物絕熱層9，接著制備柵電極2，柵介質(zhì)層3覆蓋在柵電極2的上方，有源層4在柵介質(zhì)層3上，電極接觸層5位于有源層4上，源電極6、漏電極7設(shè)置在有源層4的上方兩側(cè)，鈍化層8將源電極6、漏電極7隔開，并覆蓋熱敏感元器件，兼有紅外吸收層的作用，10為熱敏電阻的金屬引線位于電阻有源層11上。
所述襯底1和柵電極2之間涂覆一層聚合物絕熱層9，用作探測(cè)器的絕熱結(jié)構(gòu)。
所述絕熱層的材料可以是聚合物聚酰亞胺PI、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、PDMS或PDMA。
所述的熱敏感器件可以是制作在聚合物絕熱層上的薄膜晶體管，晶體管由柵電極、柵介質(zhì)層、有源區(qū)以及位于有源區(qū)兩側(cè)的接觸層和源漏電極組成。
所述薄膜晶體管的寬長比可以調(diào)節(jié)，從而能得到性能更優(yōu)的室溫紅外探測(cè)器。
所述柵電極2以濺射3000鋁制成，同時(shí)兼作紅外反射層，使得入射的紅外輻射能夠在反射后被晶體管二次吸收，從而提高了紅外輻射的吸收率。
所述襯底為硅、或玻璃。
所述電極接觸層5為摻雜非晶硅層，以降低接觸電阻，與非晶硅熱敏電阻有源區(qū)11材料相同。
所述柵介質(zhì)層為氮化硅、或氧化硅。
所述熱敏感元器件可以是制作在聚合物上的薄膜晶體管或薄膜電阻。
本發(fā)明的有益效果是采用聚酰亞胺PI作為典型的聚合物絕熱層材料，具有僅比空氣高10倍的熱導(dǎo)率，是一種絕熱性能良好的高分子材料，且制備的聚酰亞胺層較厚，從而具有很低的熱導(dǎo)，其上的敏感單元吸收紅外輻射后轉(zhuǎn)化成的熱能極其不易散失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了紅外探測(cè)器紅外吸收捕獲能量的最大化。另一方面，聚酰亞胺具有耐高溫能力，從而和非晶敏感單元有很好的工藝兼容性。本發(fā)明利用常規(guī)濺射技術(shù)和等離子體化學(xué)氣相淀積方法，其工藝簡單、易控制，產(chǎn)品質(zhì)量和成品率能夠得到很好保證。
圖1為倒置參差結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)圖。
圖2為基于聚合物絕熱層的薄膜晶體管室溫紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)3為不同寬長比的薄膜晶體管的頂視示意4為基于聚合物絕熱層的薄膜電阻室溫紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種工藝制備簡單，靈敏度高的基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器。下面以在聚合物聚酰亞胺層上制作非晶硅薄膜晶體管為實(shí)施例，對(duì)基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明。非晶硅薄膜晶體管采用倒置參差結(jié)構(gòu)。
在圖2所示的室溫紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖中，所述熱敏感元器件是在襯底1上涂覆絕熱膜9、接著制備柵電極2，柵介質(zhì)層3覆蓋在柵電極2的上方，有源層4在柵介質(zhì)層3上，電極接觸層5位于有源層4上，源電極6、漏電極7設(shè)置在有源層4的上方兩側(cè)，鈍化層8將源電極6、漏電極7隔開，并覆蓋熱敏感元器件，兼有紅外吸收層的作用，10為熱敏電阻的金屬引線位于電阻有源層11上。
圖2和圖4分別為基于聚合物絕熱層的薄膜晶體管和非晶硅電阻室溫紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖。(1)就非晶硅薄膜晶體管而言，采用旋涂得到的聚合物絕熱膜9(如圖2所示)用作探測(cè)器的絕熱結(jié)構(gòu)。背面的濺射鋁柵2可以兼作紅外反射層，使得入射的紅外輻射能夠在反射后被晶體管二次吸收，從而提高了紅外輻射的吸收率；3、4分別為晶體管的柵介質(zhì)和本征非晶硅有源層；5為摻雜非晶硅用作電極接觸層，可以降低接觸電阻；最上層的鈍化層8亦可兼作紅外吸收層，進(jìn)一步提高紅外吸收率。(2)就非晶硅電阻而言，其底部的絕熱結(jié)構(gòu)與非晶晶體管相類似。11為摻雜非晶硅電阻的有源區(qū)，10為熱敏電阻的金屬引線。無論是非晶薄膜晶體管還是非晶硅電阻用作熱敏單元，整個(gè)敏感單元均位于聚合物絕熱層上，聚酰亞胺PI作為典型的聚合物材料，具有僅比空氣高10倍的熱導(dǎo)率，是一種絕熱性能良好的高分子材料，且制備的聚酰亞胺層較厚，從而具有很低的熱導(dǎo)，其上的敏感單元吸收紅外輻射后轉(zhuǎn)化成的熱能極其不易散失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了紅外探測(cè)器紅外吸收捕獲能量的最大化。另一方面，聚酰亞胺具有耐高溫能力，從而和非晶敏感單元有很好的工藝兼容性。
非晶硅薄膜晶體管的寬長比對(duì)探測(cè)器響應(yīng)度基本沒有什么影響，但會(huì)顯著影響探測(cè)器的探測(cè)率。探測(cè)器的響應(yīng)度越高，噪聲越低，則探測(cè)率越高。本探測(cè)器的探測(cè)率會(huì)隨著晶體管寬長比的增大而提高，從而通過器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到具有更高性能的探測(cè)器。據(jù)此通過調(diào)節(jié)晶體管的寬長比的大小對(duì)晶體管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖3給出了不同寬長比的晶體管的頂視示意圖。
以基于聚酰亞胺絕熱層的薄膜晶體管室溫紅外探測(cè)器為實(shí)施例對(duì)探測(cè)器的工藝流程進(jìn)行了說明1)選用任意類型的單拋硅片，也可采用其他材料作襯底，常規(guī)清洗后用作底層襯底1。
2)在硅片襯底1正面旋涂聚酰亞胺，緩慢升溫至100℃，該溫度下恒溫保持30分鐘，使之初步膠聯(lián)凝固；再次旋涂聚酰亞胺，得到厚度大于10μm的絕熱層，逐漸升溫至150℃，并恒溫保持30分鐘，以后以50℃為步長進(jìn)行階梯升溫，每一溫度點(diǎn)停留30分鐘直至300℃，以后以40℃為步長，每一溫度點(diǎn)停留20分鐘直至380℃，最終得到穩(wěn)定性很高得聚酰亞胺絕熱薄膜。
3)濺射金屬鋁3000(Al)作為薄膜晶體管(TFT)的柵電極，光刻TFT柵電極，用磷酸刻蝕Al。去除光刻膠。用濺射方法制備1700氮化硅或氧化硅柵介質(zhì)層，利用等離子體化學(xué)氣相淀積(PECVD)方法連續(xù)、依次淀積2500本征非晶硅(i-a-Si)和300p型非晶硅(p+-a-Si)，分別作為TFT的有源層和接觸層。光刻TFT有源區(qū)。RIE刻蝕i-a-Si層和p+-a-Si層。去除光刻膠。
4)RIE刻蝕PECVD SiO2。去除光刻膠。濺射Al 6000。光刻Al連線。用磷酸刻蝕Al。去除光刻膠。RIE刻蝕有源區(qū)上方的p+-a-Si。PECVD 4000SiOxNy作為鈍化層兼紅外吸收層。光刻鈍化層，RIE去除SiOxNy，去除光刻膠。
典型的聚合物絕熱材料為聚酰亞胺(polyimide-PI)。聚酰亞胺作為一種特種工程材料，是目前已經(jīng)工業(yè)化的高分子材料中耐熱性最高的品種，聚酰亞胺的熱導(dǎo)率僅為0.3W/m·K，約為空氣熱導(dǎo)率的10倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單晶硅150W/m·K的熱導(dǎo)率，具有十分優(yōu)異的絕熱性能。利用旋涂(spin coating)方法可以很容易地進(jìn)行聚酰亞胺絕熱膜的制備，利用聚酰亞胺作為絕熱材料無需犧牲層的制備和釋放，從而大大提高了成品率和可靠性，適于探測(cè)器的批量制作。另外，聚酰亞胺具有良好的抗α-粒子輻射性能。
權(quán)利要求
1.一種基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，所述室溫紅外探測(cè)器是在襯底上涂覆聚合物絕熱層，熱敏感元器件復(fù)合在聚合物絕熱層上面，其特征在于所述熱敏感元器件是在襯底(1)上涂覆聚合物絕熱層(9)，接著制備柵電極(2)，柵介質(zhì)層(3)覆蓋在柵電極(2)的上方，有源層(4)在柵介質(zhì)層(3)上，電極接觸層(5)位于有源層(4)上，源電極(6)、漏電極(7)設(shè)置在有源層(4)的上方兩側(cè)，鈍化層(8)將源電極(6)、漏電極(7)隔開，并覆蓋熱敏感元器件，兼有紅外吸收層的作用，(10)為熱敏電阻的金屬引線涂覆在熱敏電阻有源層(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述襯底(1)和柵電極(2)之間涂覆一層聚合物絕熱層(9)，用作探測(cè)器的絕熱結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述絕熱層的材料可以是聚合物聚酰亞胺PI、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、PDMS或PDMA。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述的熱敏感元器件是制作在聚合物絕熱層上的薄膜晶體管或薄膜電阻；薄膜晶體管由柵電極、柵介質(zhì)層、有源區(qū)以及位于有源區(qū)兩側(cè)的接觸層和源漏電極組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述調(diào)節(jié)薄膜晶體管的寬長比可以調(diào)節(jié)，從而能得到性能更優(yōu)的室溫紅外探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述柵電極(2)以濺射3000鋁制成，以兼作紅外反射層，使得入射的紅外輻射能夠在反射后被晶體管二次吸收，從而提高了紅外輻射的吸收率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述襯底為硅、或玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述電極接觸層為摻雜非晶硅層，以降低接觸電阻，與摻雜非晶硅熱敏電阻有源區(qū)材料相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述柵介質(zhì)層為氮化硅、或氧化硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器，其特征在于所述熱敏感元器件可以是制作在聚合物上的薄膜晶體管或薄膜電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于紅外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域的一種基于聚合物絕熱層的室溫紅外探測(cè)器。是一種用聚合物作為絕熱材料的室溫紅外探測(cè)器；在襯底上涂覆絕熱層后，接著制備柵電極，柵介質(zhì)層覆蓋在柵電極的上方，有源層在柵介質(zhì)層上，電極接觸層位于有源層上，源電極、漏電極設(shè)置在有源層的上方，鈍化層將源電極、漏電極隔開，并覆蓋熱敏感元器件和兼有紅外吸收層的作用。由于采用聚酰亞胺PI作為典型的聚合物絕熱層材料，具有僅比空氣高10倍的熱導(dǎo)率，是一種絕熱性能良好的高分子材料，具有很低的熱導(dǎo)和耐高溫能力，其上的敏感單元吸收紅外輻射后轉(zhuǎn)化成的熱能極其不易散失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了紅外探測(cè)器紅外吸收捕獲能量的最大化。其工藝簡單、易控制，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。
文檔編號(hào)G01J5/20GK1766534SQ20051011526
公開日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者劉理天, 劉興明, 韓琳 申請(qǐng)人:清華大學(xué)